До четырёх приёмников на единственную антенну…

Нельзя, просто так, взять и присоединить несколько приёмников к одной антенне – система будет работать  плохо, до тех пор, пока Вы не согласуете их должным образом…

 

Michael Lass, DJ3VY.  Оригинал статьи опубликован в журнале QEX № 4, 1995, pp. 13…17

 

  В этой статье описана система, позволяющая подключать к антенне до четырёх приёмников. Это может быть полезным при одновременном прослушивании нескольких частот, при контроле обеих боковых частот (DSB-сигнал) при SSB приёме, при сравнительном анализе двух или нескольких приёмников (у нас в городе была ситуация, когда любительский репитер использовал одну приёмную антенну с коммерческим репитером – UA9LAQ).

  На первый взгляд, может показаться, что проблема не стоит и выеденного яйца, стоит лишь подключить к фидеру антенны параллельно несколько ответных частей соединителей, а к ним, - приёмники. Такой подход к проблеме несерьёзен. Во-первых, гарантировано рассогласование приёмников с  фидером. Характеристический входной импеданс приёмников - 50 Ом, равен этому значению только чисто номинально, на бумаге. На практике, входные  импедансы приёмников сильно различаются, что приведёт к неравномерному распределению сигнала между ними. Конечно же, любой из присоединённых к антенне приёмников не получит на вход тот уровень сигнала, который бы он получил, будучи присоединённым к антенне один.

   Некоторые из вышеперечисленных проблем можно обойти, применив резистивные делители (“сплиттеры”), но другие проблемы останутся, тем более, что резистивные “сплиттеры” обладают ощутимыми потерями.

   Лучшим выходом из положения является применение гибридных согласователей, содержащих небольшие трансформаторы. Они могут обеспечить согласование 50-омного источника с 50-омными  входами нескольких приёмников при изоляции их друг от друга на 20…50 дБ. При подключении антенны через гибридный согласователь к четырём приёмникам, вносимые потери на пути сигнала из антенны в каждый приёмник превышают, в лучшем случае, 6 дБ. На практике эта цифра больше на 0,5…3 дБ.

  Для компенсации этих потерь, перед гибридным согласователем следует установить усилитель, однако, такой усилитель должен быть весьма высокого качества, чтобы не снижать устойчивость приёмников к сильным сигналам и соотношения сигнал-шум (динамический диапазон – UA9LAQ). К счастью, такой усилитель не должен обладать максимально возможным коэффициентом усиления, а лишь компенсировать затухание сигнала в гибридном согласователе. Усиления в 8 дБ будет вполне достаточно, однако, основное внимание следует уделить, всё-таки, линейности применяемого усилителя. “Мерилом” линейности усилителя служит его “точка пересечения по интермодуляционным продуктам третьего порядка” – IP3. Часто приводимое в литературе значение +30 дБм, считающееся “хорошим”, вряд ли обеспечит хорошие характеристики Вашим приёмникам в тесном окружении мощных сигналов современного европейского эфира. Здесь требуются существенно лучшие характеристики, чем могут обеспечить любительские приёмники.

  Схема усилителя, приводимая здесь,  использовалась в профессиональном приёмном устройстве  (Rohde&Schwarz EK085 и EK890, а также  Telefunken E1800A), где IP3  составила, в пределах,  от +35 до +42 дБм и не снизила параметров основного приёмника. На детали для этого устройства можно затратить до 200 долларов.

 

Схема.

На Fig. 1 показана принципиальная схема устройства, на Fig. 2 - его конструктивное исполнение. Центральная часть антенного “сплиттера” состоит из

 

Fig. 1. Антенный “сплиттер”. Схема принципиальная электрическая.

 

двух двухтактных усилителей средней мощности Hewlett Packard MSA1023, которые можно раздобыть у дилеров этой знаменитой фирмы. Эти усилители рассчитаны для работы на частотах до нескольких гигагерц, имеют малый уровень шумов, приличное усиление и достаточный динамический диапазон по интермодуляции, а также подходящие входной и выходной импедансы. Двухтактная схема усилителей положительно влияет на результаты их работы, хотя требует применения высококачественного трансформатора. Не пугайтесь, такие трансформаторы довольно легко изготовить. Чтобы ослабить сигналы мощных средневолновых вещательных радиостанций и сигналы выше 30 МГц, между антенной и усилителем включены ФВЧ и ФНЧ. Четыре ограничительных диода включены на выходе фильтра, чтобы предохранить усилитель от повреждения, в случае попадания на его вход мощных сигналов (например, от собственного передатчика - UA9LAQ). Я сам не испытывал эту защиту – бережёного  Бог бережёт! Если в качестве антенны используется направленная узкополосная (однодиапазонная), то фильтры могут и не понадобиться.

  Два усилителя MSA1023 использованы по типовой схеме фирмы Hewlett Packard, приведённой в техдокументации (рекомендованное типовое применение радиокомпонентов, обычно расписано в специальных конструкторских разработках, “записках к применению”, называемых “Application Notes”- UA9LAQ). Смещение на каждый усилитель подводится через резистор сопротивлением 4, 7 Ом (R5 и R6). Использование раздельных резисторов повышает термостабильность усилителей, так как их совместное токопотребление составляет ни много, ни мало - 500 мА! Входы и выходы усилителей MSA1023 присоединены к небольшим трансформаторам, позволяющим правильно сфазировать усиливаемые сигналы и согласовать усилители по импедансу. В  прототипе, пользуясь анализатором спектра, я обнаружил некоторую нестабильность (склонность к самовозбуждению) на частотах порядка 5…6 ГГц. Так как имелся запас по усилению в 1,5 дБ, то я “пустил” их на улучшение линейности  усилителя в целом, применив схему отрицательной обратной связи, заодно “убрав” и самовозбуждение.

  Три  делителя мощности, изготовленные с применением кольцевых сердечников, позволяют поделить усиленный сигнал на четыре равные части. По теории, затухание сигнала в делителе (“сплиттере”), в расчёте на каждый выход должно составлять 6 дБ, они – то и оказываются скомпенсированными применением усилителя. Если построить систему в точности, как показано на схеме, то частотная характеристика окажется  достаточно линейной (точнее, наверное, будет назвать её “плоской в достаточно широком диапазоне частот” - UA9LAQ). Сердечники трансформаторов не должны быть насыщены, так как это - путь к нелинейности усилителя. Об этом неоднократно упоминалось в соответствующей литературе. Ухудшения линейности усилителя не было отмечено, при испытании его сигналами с уровнем до +20 дБм.

 

Конструкция.  

Монтаж антенного “сплиттера” не представляет сложности, но правила высокочастотного монтажа не должны нарушаться. Основой  с низким импедансом  для монтажа усилителя является плата из двухсторонне-фольгированного стеклотекстолита, “прошитая перемычками” (или имеющая металлизированные отверстия - UA9LAQ), соединяющими обе фольгированные стороны платы. Я использовал “густую” прошивку платы и выводы использовал для экранировки (можно к ним припаивать внешние экраны, если будет такая необходимость - UA9LAQ). Детально смотрите всё на Fig. 3.

   ФВЧ и ФНЧ расположены в непосредственной близости со входом усилителя. Увеличения затухания за полосой пропускания фильтра можно достичь экранировкой катушек индуктивности фильтра друг от друга, но низкий междузвенный импеданс в фильтре позволяет избежать этого на практике. В ФВЧ - части  фильтра используются катушки на ферритовых кольцевых сердечниках, тогда как в ФНЧ-части используются катушки с подстраиваемой индуктивностью TDK (например, ферритовыми сердечниками). Хотя детали фильтра некритичны, для улучшения

 

Рис. 2. Для монтажа платы используется довольно большой по размерам радиатор.

 

термостабильности,  следует выбирать для него конденсаторы: керамические группы NP0 (c нулевым ТКЕ) или серебряно-слюдяные. Монтаж обоих интегральных усилителей производится со стороны паек для обеспечения лучшего контакта с теплоотводящим радиатором (придётся немного “покумекать”). К радиатору особых требований не предъявляется, лишь бы он, при приведённых размерах и конфигурации обеспечивал тепловое сопротивление перехода 1…1,5° С/ватт.

  Все  трансформаторы намотаны на кольцевых сердечниках из материала N30 фирмы Siemens. Можно использовать и другие типы сердечников при проницаемости материала, из которого они изготовлены AL = 1000...2000. Способ намотки некритичен, нет необходимости свивать провода вместе.

  Плата, разработанная мной, рассчитана на применение SMB соединителей или контактов фирмы Tektronix (номера деталей, (то ли по прейскуранту, то ли по техусловиям?) - 131-27660-01 и 136-0352-02). Впрочем, что применить - дело личного вкуса. Но я обнаружил, что данные соединители как нельзя лучше подходят под коаксиальный кабель RG-174.

 

Проверка и настройка.  

Если сборка прошла безошибочно, то “сплиттер” начинает работать сразу. Проверьте потребление тока от источника питания 15 В (500 мА), напряжение на выходных выводах интегральных усилителей MSA1023 должно составлять 13, 6 В. Если всё совпадает, то усилители, похоже, работают нормально. Частотная характеристика входного фильтра показана на Fig. 4. По желанию, можно

 

Рис. 3. Расположение деталей на монтажной плате, которая имеет размеры 60 х 101 мм

 

заменить входной фильтр другим, имеющим другую частотную характеристику, если есть необходимость это сделать. Даже без дополнительной настройки, у Вас есть все шансы получить подобную характеристику (Fig. 4). Если входной фильтр не используется, то частотная характеристика простирается до 200 МГц (с завалом 3 дБ) (Fig. 5). Если у Вас есть желание использовать схему на УКВ, то применяйте ФНЧ, чтобы оградить себя от нежелательных сигналов, приходящих от станций, работающих на более низких частотах.

 

Полученные результаты.

 

Рис. 4. АЧХ абсолютно “плоская” в диапазоне частот 1,6…31 МГц.

 

 

 

Рис. 5. АЧХ антенного “сплиттера” без ФВЧ/ФНЧ.

 

 

 

 

Рис. 6. Блок-схема для измерения “точки пересечения” по интермодуляционным составляющим третьего порядка (IP3). Используйте сигнал-генераторы высокого качества.

 

  Я проверял работу устройства, выполненного по приводимой схеме, на анализаторе спектра, также использовал сигналы двух высококачественных сигнал-генераторов. Гибридный смеситель, выполненный на большом кольцевом сердечнике, использовался для сведения сигналов с сигнал-генераторов.  Не пытайтесь делать этого, используя резистивные “комбайнеры”, поскольку сигналы генераторов вызовут перекрёстную модуляцию, будут влиять друг на  друга. Опытным путём мне удалось установить, что IP3 приводимого устройства составляет более +55 дБм, то есть более, чем достаточно.

 

 

Рис. 7. Измеренная изоляция между выходами.

 

  При усилении в 0 дБ +/- 0, 5 дБ на разных частотах в диапазоне 1,6…30 МГц, схема антенного сплиттера дала IP3 на уровне +42 дБм. (Для производства этого измерения использовались два сигнала с уровнем -10дБм). Блок – схема измерительной установки показана на Fig. 6. На Fig. 7 приведена  величина изоляции выходов сплиттера в диапазоне частот от 1 до 100 МГц. Изоляция может быть ещё улучшена. Точка сжатия (динамического диапазона) на 1 дБ была найдена при уровне сигнала в +25 дБм. Я бы не был против заиметь и ещё несколько дБ, но IP3 и так, находится на уровне, сравнимом с таковым у лучших моих приёмников. На практике, я никогда не сталкивался с интермодуляцией, уровень которой был бы известен как критический. В действительности, верно противоположное - с этим антенным “сплиттером” и хорошими приёмниками диапазоны становятся привлекательно тихими (не забитыми помехами).

 

Свободный перевод с английского:     Виктор  Беседин (UA9LAQ)   ua9laq@mail.ru

г. Тюмень     март, 2003 г